水及电解质溶液的分子动力学模拟研究

论文摘要

分子动力学（MD）模拟是化工热力学研究中一种新兴的现代研究方法。一方面,它可以用来模拟、研究现代实验方法尚难以进行测定的过程和现象,如分子在表面上的动态行为、分子运动的特征、化学物质聚集结构、及力学过程稳定性等;另一方面,利用它可以缩短化工新产品和过程的研发周期,降低成本。首先,本文采用分子动力学模拟对常温常压的水的结构性质和传递性质进行了研究,解释其微观结构和与众不同的理化特性之间的关系,并对比了几种常用力场对模拟准确度的影响。通过对水的扩散系数的研究表明,常温常压下几种常用力场对模拟结果影响不大,精确度也比较高。但在超临界状态下,COMPASS力场是唯一合适的力场。模拟结果还显示在该状态下,氢键减弱,分子极性降低,扩散增强。然后,在碳纳米管中受限水分子扩散性质的研究中,相同外界条件下同种螺旋性的碳纳米管直径越大,受限其中的水分子扩散系数也越大。但在螺旋性对碳纳米管中水分子扩散系数的影响上,又出现了类似于碳纳米管吸附性质的反常现象,即直径较小的armchair型（8,8）碳纳米管中的水分子扩散系数在相同的温度和压力下略大于直径较大的zigzag型（14,0）碳纳米管。在碳纳米管中受限水分子的相行为的研究中,模拟结果进一步验证了势能模型的选择对于分子模拟的结果具有决定性的影响作用。另一方面,水分子在压力逐渐升高的状态下吸附进碳纳米管的过程中,会发生毛细冷凝现象。最后,本文采用分子动力学来研究不同力场下电解质溶液的离子水化和缔合性质,水化能力Li+>Na+>K+,F->Cl-,水化现象不但对离子近程结构有影响,而且对离子的扩散性质有影响。浓度对离子与水分子间的近程结构没有很大的影响;高浓度时,离子与离子间发生了一定程度的缔合现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 分子模拟方法的起源、发展及应用
• 1.3 势能
• 1.4 分子力场
• 1.4.1 COMPASS力场
• 1.4.2 PCFF力场
• 1.4.3 AMBER力场
• 1.4.4 NERD力场
• 1.5 周期性边界条件及起始条件
• 1.5.1 周期性边界条件
• 1.5.2 起始条件
• 1.6 原子体系运动方程
• 1.6.1 拉格朗日形式（Lagrangian form）
• 1.6.2 汉密尔顿形式（Hamiltononian form）
• 1.7 微分算法
• 1.7.1 Verlet 法
• 1.7.2 Leapfrog法
• 1.7.3 Gear Predicator-Corrector法
• 1.8 长程力处理
• 1.8.1 Ewald加和法（The Ewald Sum）
• 1.8.2 反应场法（The Reaction Field Method）
• 1.9 国内外研究进展
• 1.10 本课题研究的立论依据及主要研究内容
• 1.10.1 立论依据
• 1.10.2 主要研究内容
• 第二章 不同力场下水的分子动力学模拟
• 2.1 引言
• 2.2 常温常压下液体水的分子动力学模拟
• 2.2.1 模拟细节
• 2.2.2 模拟结果与讨论
• 2.3 超临界水的分子动力学模拟
• 2.3.1 模拟细节
• 2.3.2 模拟结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 碳纳米管内受限水的扩散和相行为的研究
• 3.1 引言
• 3.2 碳纳米管内受限水的扩散的研究
• 3.2.1 模拟细节
• 3.2.2 模拟结果与讨论
• 3.3 碳纳米管内受限水的相行为的研究
• 3.3.1 模拟细节
• 3.3.2 模拟结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 不同力场下电解质溶液的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 电解质溶液水化现象的模拟
• 4.2.1 COMPASS力场下电解质溶液水化现象的模拟
• 4.2.2 LJ12-6 模型下电解质溶液水化现象的模拟
• 4.3 电解质溶液缔合现象的模拟
• 4.3.1 势能
• 4.3.2 模拟细节
• 4.3.3 模拟结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读工程硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢